CAP.7 Principi dell evoluzione e della formazione delle specie

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1 CAP.7 Principi dell evoluzione e della formazione delle specie L origine della vita sulla Terra Si ipotizza che la Terra si sia formata circa 4,6 miliardi di anni fa. La sua atmosfera probabilmente conteneva acqua (H 2 O), ammoniaca (NH 3 ) metano (CH 4 ) idrogeno gassoso (H 2 ), azoto gassoso (N 2 ) e biossido di carbonio (CO 2 ). Non c era ossigeno libero, ma erano presenti idrogeno, ossigeno, carbonio ed azoto, i costituenti fondamentali della materia organica, di cui costituiscono il 95%. I primi composti organici potrebbero aver avuto origine da alcuni di questi componenti inorganici dell atmosfera primordiale per azione dei raggi UV, delle scariche elettriche e del calore. Questo processo prende il nome di SINTESI ABIOTICA (cioè puramente chimica) DEI COMPOSTI ORGANICI (aminoacidi, monosaccaridi, nucleotidi e lipidi). Questi composti si dissolsero nel mare, che ricopriva quasi tutto il pianeta, e formarono il cosiddetto brodo primordiale. Durante il periodo di EVOLUZIONE CHIMICA queste prime semplici sostanze organiche si sarebbero condensate (con legami chimici, come legami a idrogeno e legami covalenti) a formare polipeptidi, polinucleotidi, polisaccaridi, e semplici lipidi. Questi, a loro volta, si sarebbero aggregati a formare goccioline colloidali, dotate di una membrana lipidica che le separava dall ambiente esterno e in grado di compiere al loro interno reazioni catalizzate dagli enzimi (sostanze proteiche). Pur presentando alcune delle caratteristiche delle cellule viventi (sono isolati dall ambiente esterno e al loro interno avvengono delle reazioni), non possono ancora essere considerate tali perché non erano in grado di riprodursi (caratteristica fondamentale dei viventi). LA COMPARSA DELLE CELLULE PROCARIOTICHE Quando acquisirono la capacità di riprodursi, circa 3.5 miliardi di anni fa, diedero origine alle prime cellule viventi, da cui si originarono i Procarioti. Questi primi organismi unicellulari sembra non si siano modificati per circa 2 miliardi di anni. Contenevano delle molecole con un informazione. genetica per replicarsi, delle macromolecole per il metabolismo energetico e una membrana li delimitava dall ambiente esterno. Inizialmente erano eterotrofi, cioè utilizzavano per il proprio sostentamento i composti organici presenti nel mare, ed erano ovviamente anaerobi (non essendoci ossigeno libero nell atmosfera). Assumevano composti chimici contenenti carbonio e attraverso il processo della digestione ottenevano molecole utilizzabili per la sintesi delle macromolecole costituenti i loro organismi e liberavano energia, utilizzabile in questi processi di sintesi.

2 LA COMPARSA DEGLI AUTOTROFI Con l aumento del numero di organismi, il mare iniziò ad impoverirsi di questi nutrienti. Per selezione naturale comparvero e si affermarono organismi in grado di utilizzare nuovi composti come cibo o come fonte energetica (si verificò un processo di selezione naturale: sopravvissero più facilmente e quindi si riprodussero e diedero anche origine ad una discendenza gli organismi che, casualmente, possedevano nel proprio corredo genetico la capacità di utilizzare nuove fonti alimentari o energetiche). Comparvero organismi che erano in grado di utilizzare come fonte di carbonio molecole semplici come il biossido di carbonio e come fonte di energia la luce del sole o di alcuni composti chimici. Si trattava dei primi organismi autotrofi (fotoautotrofi e chemioautotrofi); 2,7 miliardi di anni fa, comparve la fotosintesi. LA COMPARSA DEGLI AEROBI Quando comparvero organismi che come fonte di idrogeno utilizzavano l acqua, anziché l idrogeno solforato (che fino ad allora era la fonte di idrogeno più utilizzata) il prodotto di scarto del metabolismo diventò l ossigeno e quindi l atmosfera iniziò, molto lentamente, ad arricchirsi in ossigeno. Di conseguenza, altrettanto lentamente comparvero i primi organismi aerobi, cioè in grado di utilizzare l ossigeno per i loro processi di respirazione (cioè di degradazione dei composti organici di cui si cibavano), ottenendo da questi una elevata resa energetica. In seguito, l atmosfera continuò ad arricchirsi in ossigeno (O 2 );questo, intercettato dai raggi UV, formò lo schermo di protezione costituito dallo strato di ozono (O 3 ), che consentì ai primi organismi di spostarsi sulle terre emerse (non erano più così abbondanti i raggi UV, che danneggiano la sostanza organica), all incirca 800 milioni di anni fa. LA COMPARSA DEGLI EUCARIOTI Circa 1,5 miliardi di anni fa comparvero le cellule eucariotiche, caratterizzate dalla compartimentazione del citoplasma, che contiene gli organuli, delimitati da una propria membrana, e dalla presenza di un nucleo delimitato da un involucro nucleare che racchiude il materiale genetico. Secondo la teoria endosimbiontica gli eucarioti potrebbero essersi originati da cellule procariotiche che inglobarono cellule procariotiche più piccole. Alcune di queste cellule probabilmente anziché

3 essere demolite vennero integrate nella cellula più grande e continuarono a compiere il loro metabolismo (eterotrofo o autotrofo), in simbiosi con essa, dando origine ad alcuni degli organuli cellulari (mitocondri, per la respirazione, cloroplasti, per la fotosintesi). LA COMPARSA DEGLI ORGANISMI PLURICELLULARI Circa 1 miliardo di anni fa comparvero gli organismi pluricellulari, grazie ai quali fu possibile la specializzazione cellulare, cioè che ogni cellula fosse destinata allo svolgimento di una specifica funzione, coordinata con il lavoro svolto dalle altre. L evoluzione di questi organismi continuò, negli oceani, finché non comparvero anche i primi organismi terrestri, grazie al processo di arricchimento dell atmosfera in ossigeno e alla formazione dello strato di protezione dai raggi UV. Da tutto ciò sono derivati i circa 30 milioni di specie attuali presenti sulla Terra. Fig. 7.1 Origine della vita Terra (da AA.VV., 1997) L evoluzione delle specie Il sistema di classificazione degli organismi viventi più usato ed accettato si basa sulla FILOGENESI, cioè sullo studio dell evoluzione degli organismi a partire da antenati comuni, e quindi sulle parentele che ci sono tra di loro (su base genetica, perché morfologicamente possono essere simili anche specie che invece non hanno parentele tra di loro, o hanno antenati comuni molto distanti nel tempo) Lo studio dell evoluzione degli organismi a partire da antenati comuni si basa sulla teoria proposta da Charles Darwin nel 1859, secondo la quale tutte le specie viventi si sarebbero evolute a partire da forme di vita preesistenti, seguendo i principi della SELEZIONE NATURALE.

4 Nel corredo genetico degli individui di ogni popolazione possono comparire delle variazioni (mutazioni) dovute al caso; alcune di queste variazioni possono avere un significato positivo nei confronti dell adattamento all ambiente in cui l individuo vive, perciò essere utili nei confronti della sopravvivenza e della riproduzione dell individuo; gli individui che le possiedono possono generare più discendenti di altri, per cui il numero di individui con queste caratteristiche aumenta di generazione in generazione; questo processo prende il nome di selezione naturale, ed è dovuta all interazione tra l individuo e l ambiente. Tutto ciò determina la modificazione, l evoluzione della specie; talvolta i cambiamenti sono tali da differenziare tra loro gruppi di organismi e dare vita a nuove specie o gruppi di specie. La filogenesi, ovvero la storia evolutiva dei viventi, viene rappresentata attraverso dei cladogrammi (degli schemi somiglianti ad alberi genealogici) (Fig. 7.2). Quanto più lungo è un ramo, quanto prima nel tempo questo gruppo si è staccato, ed evoluto, dagli altri, e quindi probabilmente, essendo andato incontro ad una lunga evoluzione, si è differenziato, ha acquisito caratteristiche diverse, dal resto del gruppo. Rami corti invece dividono gruppi che si sono differenziati in tempi relativamente recenti, e quindi hanno avuto poco tempo per evolversi separatamente, quindi presumibilmente vi apparterranno specie che sono ancora abbastanza simili, e strettamente imparentate.

5 Fig. 7.2 Esempio di schema filogenetico I vegetali (da Caramiello Lomagno et al., 1989) 7.3 La formazione delle specie SPECIE: un insieme di individui tra i quali, in condizioni naturali, esiste un libero flusso genico, cioè si possono riprodurre e dare prole feconda (cioè che si può a sua volta riprodurre), ma non possono incrociarsi con componenti di altri gruppi.

6 POPOLAZIONE: un gruppo individui della stessa specie, cioè con caratteristiche relativamente variabili, ma ancora sufficientemente simili da potersi riprodurre tra loro e con altre popolazioni della stessa specie. SPECIAZIONE: il fenomeno per cui tuttora compaiono nuove specie, nell ambiente naturale e in popolazioni naturali. Si verifica quando, all interno di una popolazione o tra popolazioni diverse di una stessa specie, gli individui si diversificano così tanto che non è più possibile che si riproducano tra loro. Si parla di SPECIAZIONE SIMPATRICA (= tra popolazioni dello stesso luogo) o ISTANTANEA se in una popolazione (di specie vegetali) si formano individui poliploidi (cioè con un numero di cromosomi più elevato), che non sono più in grado di incrociarsi con i normali individui diploidi. Il 50% circa delle specie di angiosperme attuali si sarebbe generato in questo modo; questa modalità di speciazione è stata riprodotta anche in laboratorio, per ricavare nuove varietà di piante da coltivare, per esempio. Si parla di SPECIAZIONE ALLOPATRICA (= tra popolazioni che abitano luoghi diversi) se si verifica un isolamento geografico tra gli individui (per la deviazione del corso di un fiume, l innalzamento del livello dei mari, il lento innalzarsi di una catena montuosa, quando costituiscono ostacoli insormontabili per quegli individui), dando origine a popolazioni che si evolvono separatamente e i cui individui, ad un certo punto, arrivano ad essere così diversi da non riuscire più a riprodursi tra di loro (Fig. 7.3). Fig. 7.3 Esempio di speciazione allopatrica (per deviazione del corso di un fiume) (da AA.VV., 1997)

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